高速鐵路斜井下穿石油管道弱爆破施工技術(shù)

羅康勇

摘要： 在我國大規(guī)模的高速鐵路網(wǎng)建設(shè)中，必將會(huì)遇到高速鐵路斜井下穿石油天然氣管道的情況，如何采用安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的施工方案，切實(shí)保障石油管道的安全，是施工單位必須認(rèn)真研究的課題。本工點(diǎn)采用弱爆破施工技術(shù)，并事先對穿越施工方案的合理性、可行性進(jìn)行充分論證，在爆破施工前進(jìn)行試爆并通過地震波監(jiān)測，收集相關(guān)參數(shù)來驗(yàn)證控制爆破方案可行性。通過科學(xué)化、精細(xì)化的組織施工，此處石油管道穿越工程得以安全通過，順利完成預(yù)期目標(biāo)，確保了石油管道安全。

Abstract： In the construction of large-scale high-speed railway network， it will encounter the situation of high-speed railway inclined well under-passing oil and gas pipeline. How to adopt safe， economical and reasonable construction scheme and ensure the safety of oil pipeline is the subject that the construction unit must seriously study. The construction technology of weak explosion is used in this workshop， and the rationality and feasibility of the construction scheme are fully demonstrated beforehand. The explosion test is carried out before the blasting construction and the relevant parameters are collected to verify the feasibility of the control blasting scheme. Through the scientific and meticulous organization and construction， the oil pipeline under-passing project is safely completed， the expected objectives are successfully completed， and the safety of oil pipelines is ensured.

關(guān)鍵詞： 斜井；下穿；弱爆；技術(shù)

Key words： inclined well；under-passing；weak explosion；technology

中圖分類號：U455.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1006-4311（2017）15-0097-04

1 工程概況

西安至成都客運(yùn)專線金家?guī)r隧道1號斜井位于線路前進(jìn)方向的右側(cè)，與線路交點(diǎn)里程DK452+200。該工區(qū)施工采用無軌單車道運(yùn)輸組織，永久性工程設(shè)計(jì)，斜井凈空斷面尺寸為5.0m×5.9m（寬×高）。斜井下穿蘭成渝輸油管道，平面投影相交里程為XD1K0+163，斜井與隧洞地表輸油管道垂直距離僅28.42m，？準(zhǔn)508mm蘭成渝輸油鋼管與斜井相交縱斷面圖如圖1。

2 巖土工程爆破研究

2.1 巖土工程爆破作用原理

巖石的破壞是應(yīng)力波和爆轟氣體共同作用的結(jié)果，爆轟波波陣面的壓力和傳播速度大大高于爆轟氣體產(chǎn)物的壓力和傳播速度。爆轟波首先作用于藥包周圍的巖壁上，在巖石中激發(fā)形成沖擊波并很快衰減為應(yīng)力波。沖擊波在藥包附近的巖石產(chǎn)生“壓碎”現(xiàn)象，應(yīng)力波在壓碎區(qū)域之外產(chǎn)生徑向裂隙。

隨后，爆轟氣體產(chǎn)物繼續(xù)壓縮被沖擊波壓碎的巖石，報(bào)轟氣體“楔入”在應(yīng)力波作用下產(chǎn)生的裂隙中，使之繼續(xù)向前延伸和進(jìn)一步張開。當(dāng)爆轟氣體的壓力足夠大時(shí)，爆轟氣體將推動(dòng)破碎巖塊作徑向拋擲運(yùn)動(dòng)。對于不同性質(zhì)的巖石和炸藥，應(yīng)力波與爆轟氣體的作用都是不同的。

①在堅(jiān)硬巖石、高猛度炸藥、偶合裝藥或裝藥不偶合系數(shù)較小的條件下，應(yīng)力波的破壞作用是主要的。

②在松軟巖石、低猛度炸藥、裝藥不偶合系數(shù)較大的條件下，爆轟氣體的破壞作用是主要的。

2.2 爆破地震波的傳播范圍

當(dāng)炸藥在巖土體中爆炸時(shí)，一部分能量使炸藥周圍的介質(zhì)引起擾動(dòng)，并以波動(dòng)形式向外傳播。通常認(rèn)為：在爆破近區(qū)（藥包半徑的10～15倍），傳播的是沖擊波；在爆破中區(qū)（藥包半徑的15～400倍），傳播的是應(yīng)力波；在爆破遠(yuǎn)區(qū)，傳播的是地震波。

2.3 根據(jù)已有工程實(shí)例，選定地震波控制標(biāo)準(zhǔn)

保護(hù)石油管道安全的最小地震波速?zèng)]有相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）中爆破震動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)也沒有明確規(guī)定，參照兩個(gè)相似成功案例經(jīng)驗(yàn)，案例1：南水北調(diào)中線京石段工程與天然氣高壓管道交叉控制爆破施工；案例2：蘭成渝管道康縣隱患整治工程第2標(biāo)段。選擇V取值=1.5cm/s能夠滿足管道安全要求。

2.4 爆破振動(dòng)控制措施

①控制單段最大裝藥量Q；②采用微差起爆；③控制掘進(jìn)進(jìn)尺；④分部開挖，控制爆破設(shè)計(jì)；⑤爆破地震波實(shí)施監(jiān)測。

3 控制爆破方案設(shè)計(jì)

3.1 控制爆破震動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)及要求

參考《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011）及《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》（TB10121-2007），為保證輸油管道安全，經(jīng)過專家及輸油管道公司共同評審，確定地震波控制標(biāo)準(zhǔn)為≤1.0cm/s；規(guī)范中引用爆破地震安全允許振速如表1所示。

管道變形監(jiān)測按照《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50497-2009）表8.0.5辦理。地下管線沉降監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)見表2。

各項(xiàng)監(jiān)測的數(shù)值達(dá)到一定范圍（即：將產(chǎn)生不可接受的負(fù)面影響時(shí)）要進(jìn)行“報(bào)警”。報(bào)警系數(shù)F（F=實(shí)測值/安全控制標(biāo)準(zhǔn)值），當(dāng)F>0.80時(shí)，為報(bào)警狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到報(bào)警值時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，采取必要的加強(qiáng)措施。

3.2 爆破設(shè)計(jì)方案

3.2.1 單段最大用藥量的確定

據(jù)薩道夫斯基控制爆破震動(dòng)速度公式計(jì)算爆破震動(dòng)速度：

參考《油氣管道并行敷設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)定》6.2.3b）中之規(guī)定：“對于不同期建設(shè)管道，要求如下：1）宜保持20m以上間距，新建管道爆破管溝形成的震動(dòng)波到達(dá)在役管道處的最大垂直地震速度應(yīng)不大于10cm/s”及《爆破安全規(guī)程》第6.2.3條：爆區(qū)不同巖性的K、α值表（見表3）。

斜井控制弱爆破段XD1K0+207～XD1K0+124各參數(shù)計(jì)算取值如下：

允許震速限值，取值V =1.5cm/s，遠(yuǎn)小于《油氣管道并行敷設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)定》之10cm/s。

K、α-與地質(zhì)地形有關(guān)的系數(shù)，本次爆破按中硬巖取值，K取250、α取1.8。

K′-分散裝藥衰減系數(shù)，K′取1。

R-最大一段齊爆藥量的幾何分布中心到鄰近被保護(hù)物的距離，單位m；依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙高程差，石油管道距離爆破點(diǎn)最小垂直距離為28.42m，R取保守值28。

不同的R值對應(yīng)的最大單段爆破藥量計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4可見：斜井XD1K0+207～XD1K0+124段一次起爆允許最大藥量Qmin（28）=4.3kg，Qmax（50）=23.31kg。

3.2.2 50m范圍內(nèi)下穿段控制弱爆破設(shè)計(jì)

炮眼布置等詳見圖2《金家?guī)r1號斜井XD1K0+207～XD1K0+124段爆破設(shè)計(jì)圖》。

由表5可見，斜井下穿段爆破設(shè)計(jì)一次起爆最大用藥量為Qmax1=3.6kg<計(jì)算允許值Qmin（28）=4.35kg，根據(jù)該計(jì)算成果，斜井下穿段施工鉆爆作業(yè)最大段裝藥量沒有超過計(jì)算值，理論上對在役管線不構(gòu)成直接破壞性，考慮到傳播介質(zhì)的不均勻性，為更加安全起見，該段施工時(shí)整段爆破設(shè)計(jì)按R=28m，最大一次起爆藥量Q4.35Kg進(jìn)行施工，有效保障既有管線及隧道施工的安全。

3.2.3 50m范圍外控制爆破設(shè)計(jì)

XD1K0+124～XD1K0+050段設(shè)計(jì)襯砌類型為IV級錨噴，采用全斷面法施工，爆破設(shè)計(jì)參數(shù)表見表6。

炮眼布置圖如圖3所示。

由表6可見，XD1K0+124～XD1K0+050段爆破設(shè)計(jì)一次起爆最大用藥量為Qmax1=16.2kg<計(jì)算允許值Qmax（50）=23.31kg，理論上對在役管線不構(gòu)成直接破壞性。為更加安全起見，施工中進(jìn)一步減少單循環(huán)進(jìn)尺確保管線的安全。

按K=250，α=1.8，Q=4.35kg控制時(shí)不同的R值對應(yīng)的爆破地震速度計(jì)算結(jié)果見表7。

由表7可見，當(dāng)爆破中心距離管道超過34m時(shí)，爆破引起的最大震動(dòng)波速度≤1.0cm/s。

4 爆破作業(yè)地震波速監(jiān)測

4.1 監(jiān)測目的及設(shè)備

通過爆破地震波跟蹤監(jiān)測，首先是分析爆破地震波衰減規(guī)律及其對周圍保護(hù)物的影響，并對其進(jìn)行安全評價(jià)；其次是根據(jù)爆破地震波監(jiān)測結(jié)果，指導(dǎo)爆破方案的調(diào)整和優(yōu)化，使到達(dá)管道的爆破地震波速降低到安全范圍內(nèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)隧道開挖快速順利進(jìn)行。

本次爆破振動(dòng)監(jiān)測與試驗(yàn)使用L20型爆破測振儀，每臺(tái)測振儀有三個(gè)通道，可以配置3個(gè)單向速度傳感器或1個(gè)三分量速度傳感器或1個(gè)三分量加速度傳感器。該儀器自帶液晶顯示屏，現(xiàn)場直接設(shè)置各種采集參數(shù)，能即時(shí)顯示波形、峰值和頻率。具有24位A/D轉(zhuǎn)換，采用自適應(yīng)量程。通過USB接口與PC電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，運(yùn)用專用軟件進(jìn)行處理分析及成果輸出等，并帶有手機(jī)報(bào)警功能，設(shè)制一定振速閥值，若有溢出，自動(dòng)發(fā)出相應(yīng)短信，進(jìn)行報(bào)警。

4.2 監(jiān)測方法及程序

①測點(diǎn)布置。臨近輸油管道的振動(dòng)強(qiáng)度通常與新建隧道爆源所在位置直線距離成線性關(guān)系，等距狀態(tài)下洞內(nèi)邊墻、隧底最直觀反映爆破振速。測點(diǎn)布置如圖4。

②測試頻率。1）微震爆破施工開始后，試驗(yàn)爆破按照測點(diǎn)布置方法每日都進(jìn)行監(jiān)測。2）其后，按照測點(diǎn)布置方法每開挖20m測試一次。

③傳感器安裝。在爆破前1小時(shí)，按預(yù)定的位置及要求安裝三矢量速度傳感器，其中Z方向鉛直，X方向指向爆源為水平徑向，Y方向?yàn)樗角邢颉ΡO(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行編號，測量并記錄震源中心及傳感器的位置與高程。

④儀器連接與調(diào)試。在爆破前30分種，將采集儀連接各傳感器，記錄傳感器和采集儀編號，設(shè)置參數(shù)，選擇合適的開門閥值，確認(rèn)儀器連接、調(diào)試完好。在爆破現(xiàn)場警戒前撤到安全區(qū)域。

⑤現(xiàn)場測試。爆破產(chǎn)生的振動(dòng)超過儀器設(shè)定的開門閥值，開始記錄爆破振動(dòng)信號。爆破警戒解除后，進(jìn)入爆破現(xiàn)場收拾儀器、傳感器與連接線。

⑥資料整理。通過計(jì)算機(jī)USB接口與記錄儀連接，傳輸現(xiàn)場記錄的振動(dòng)波形數(shù)據(jù)。使用振動(dòng)分析軟件對波形進(jìn)行分析處理，分別讀取豎向、水平徑向和水平切向的振動(dòng)峰值、峰值主頻等參數(shù)。

⑦振動(dòng)影響評價(jià)。爆破振動(dòng)評價(jià)按表8爆破振動(dòng)安全允許振速中交通隧道取低值為控制標(biāo)準(zhǔn)。

1）若監(jiān)測點(diǎn)任一方向的實(shí)測最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度超過相應(yīng)的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，則爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度超限，可能或已經(jīng)對所監(jiān)測的對象造成損傷或破壞。2）若監(jiān)測點(diǎn)所有方向的實(shí)測最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均小于相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，則表明監(jiān)測對象不會(huì)受到爆破振動(dòng)損傷，是安全的。3）若實(shí)測振動(dòng)幅值超限，應(yīng)對監(jiān)測對象進(jìn)行宏觀調(diào)查，觀察監(jiān)測對象是否出現(xiàn)細(xì)微裂縫及已有裂紋寬度及延伸是否發(fā)展、起鼓等損傷現(xiàn)象，必要時(shí)可利用聲波檢測等手段對爆破振動(dòng)影響程度進(jìn)行評價(jià)。

4.3 爆破地震波速監(jiān)測成果

在斜井開挖掌子面里程XD1K0+208～XD1K0+150進(jìn)行施工爆破振動(dòng)測試；共測試次數(shù)為8次測試情況如表8。爆破振動(dòng)峰速波形圖如圖6。

5 結(jié)語

監(jiān)測結(jié)果表明，管道附近爆破振速均小于設(shè)置限值1.5cm/s，整個(gè)爆破過程安全可控。達(dá)到了預(yù)期目的，對類似工程具有參考和借鑒作用。

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